1、2022-12-221第六章第六章 岩体天然应力岩体天然应力6.1 概概 述述6.2 岩体天然应力的分布规律岩体天然应力的分布规律6.3 岩体天然应力测量岩体天然应力测量6.4 岩体中天然应力的估算（自学）岩体中天然应力的估算（自学）6.4 岩体中天然应力场的回归分析（自学）岩体中天然应力场的回归分析（自学）6.4 高地应力的若干特征高地应力的若干特征2022-12-222一、定义一、定义1.天然应力天然应力(地应力、初始应力等）人类工程活地应力、初始应力等）人类工程活动之前存在于岩体中的应力。动之前存在于岩体中的应力。2.重分布应力重分布应力（二次分布应力、附加应力等）（二次分布应力、附加应
2、力等）由于工程活动改变了的岩体中的应力。由于工程活动改变了的岩体中的应力。重分布应力+天然应力 相对于第2洞室的天然应力第六章第六章 岩体中的天然应力岩体中的天然应力2022-12-223二、天然应力的组成及起源二、天然应力的组成及起源1.组成：岩体自重自重应力 构造运动构造应力流体作用渗流应力 其它（地温、地球化学作用等）2.起源（主要指构造运动的起源）：板块运动 地幔热对流 地球自转速度变化)(zhgpwVhhVgh121拉张区挤压区第六章第六章 岩体中的天然应力岩体中的天然应力2022-12-224三、天然应力的研究历史与研究意义三、天然应力的研究历史与研究意义1.研究历史 世界上:l1
3、878年，海姆提出天然应力l1932年，美胡佛水坝下隧道中，首次成功测定了岩体中的天然应力l到目前天然应力测点遍布全球，有几十万个测点。大部分是浅部，最深5108米（美国密执安水压致裂法）。中国：l50年代末开始天然应力量测，有几万个测点，最深的有3958米（天津大港）。第六章第六章 岩体中的天然应力岩体中的天然应力2022-12-2252.研究意义 1）区域稳定）区域稳定 2）地下洞室稳定）地下洞室稳定 3）边坡稳定）边坡稳定 4）地基岩体稳定）地基岩体稳定第六章第六章 岩体中的天然应力岩体中的天然应力2022-12-226以东经100105o为界分东西两区。q 强度上：西强东弱（西高东低）
4、q 方向上：西：NNE-SSW为主，东：近E-W。一、一、分区性分区性（以中国为例）（以中国为例）6.2 岩体天然应力的分布特征岩体天然应力的分布特征第六章第六章 岩体中的天然应力岩体中的天然应力2022-12-227第六章第六章 岩体中的天然应力岩体中的天然应力西南：印度板块向NNE挤压（5mm/a）东：太平洋板块向W俯冲（1cm/a）南：菲律宾板块向N俯冲北：西伯利亚板块阻挡 1迹线：N-NE-SSEv中国板块处在四大板块环绕中，它们碰撞挤压，形成了中国大陆岩体中的天然应力。2022-12-228l上覆岩体自重l多为压应力l多为最小主应力，少数为中间主应力与最大主应力gh7.2V第六章第六
5、章 岩体中的天然应力岩体中的天然应力二、二、铅直应力铅直应力（V）2022-12-229三、三、水平应力（水平应力（h）l常以水平应力为主，即h v，hmax v。h/v0.8-3.0，即岩体主要受地区现代构造应力场的控制；lh具各向异性，即h1 h2，我国华北hmin/hmax0.2-0.8，华南hmin/hmax0.3-0.75。原 因a.岩体各向异性;b.构造运动的方向性;lh以压应力为主，仅在一些裂谷区、地堑区出现拉应力，且多见一向压，一向拉。在地表卸荷带影响区，可能出现水平应力为拉应力。第六章第六章 岩体中的天然应力岩体中的天然应力2022-12-2210四、天然应力比值系数四、天然
6、应力比值系数 与深度与深度z 的关系的关系)15005.0()1003.0(zzhav天然应力比值系数天然应力比值系数()：h/v，随深度增加而减小。第六章第六章 岩体中的天然应力岩体中的天然应力2022-12-2211五、主应力平面与水平面的关系五、主应力平面与水平面的关系据主应力平面与水平面的关系，天然应力据主应力平面与水平面的关系，天然应力状态划分为：状态划分为：l水平应力场水平应力场一个应力轴近水平，或与一个应力轴近水平，或与水平面夹角很小，另一应力轴近铅直，三水平面夹角很小，另一应力轴近铅直，三个应力轴与空间坐标一致，我国大陆范围个应力轴与空间坐标一致，我国大陆范围内属这种应力场内属
7、这种应力场;l非水平应力场非水平应力场水平应力与水平面夹水平应力与水平面夹45左右，另一轴与水平面夹左右，另一轴与水平面夹045 左右，左右，分布于板块边缘。分布于板块边缘。第六章第六章 岩体中的天然应力岩体中的天然应力2022-12-2212六、高天然应力六、高天然应力l标志开挖洞室时，常产生岩爆、剥离；(在高地应力地区，由于洞壁围岩中应力高度集中，使围岩发生突发性变形破坏的现象。)收敛变形大，使开挖断面变小；软弱夹层内物质被挤出，节理闭合；饼状岩心；水下开挖无水渗出。第六章第六章 岩体中的天然应力岩体中的天然应力2022-12-2213六、影响天然应力的因素六、影响天然应力的因素1.地形起
8、伏la.水平应力向负地形集中，向正地形释放lb.在斜坡附近，应力方向发生偏转+h第六章第六章 岩体中的天然应力岩体中的天然应力2022-12-22140000gzgzh2.地表剥蚀地表剥蚀原地面原地面现地面现地面0zzzh0ohhzzzgzzgzggzzzgzggzh1)()1(1)(000000剥蚀第六章第六章 岩体中的天然应力岩体中的天然应力2022-12-2215该式说明：剥蚀后，岩体中一点增大了，当Z大到一定值时，必有1的情况出现。zzgzzzzgh1 1)(000第六章第六章 体中的天然应力体中的天然应力2022-12-22163.结构面结构面1第六章第六章 岩体中的天然应力岩体中的
9、天然应力4.岩体性质岩体性质 硬岩常可积累较高的应力，而软岩则相反5.地下水地下水 产生渗流应力6.地温地温 产生温度应力2022-12-2217自重应力理论自重应力理论地震震源机制解地震震源机制解地变形量测地变形量测天然应力测量天然应力测量大地水准测量大地水准测量三角网测量三角网测量GPS测量测量天然天然应力应力确定确定方法方法第六章第六章 岩体中的天然应力岩体中的天然应力2022-12-2218二、天然应力的量测天天然然应应力力的的量量测测方方法法水压致裂法水压致裂法应力恢复法（扁千斤顶法）应力恢复法（扁千斤顶法）套芯应力解除法套芯应力解除法光弹法光弹法声发射法声发射法X射线法射线法第六章
10、第六章 岩体中的天然应力岩体中的天然应力2022-12-2219AAmaxhminh1 1、水压致裂法、水压致裂法tpc1pS pc2p0水压力随时间的变化曲线第六章第六章 岩体中的天然应力岩体中的天然应力2022-12-2220tpc1pS pc2p0假设：假设：天然应力钻孔假设在均质、各向同性、连续线弹性岩体中 一小圆孔。作用应力 ，据弹性理论中柯西解，未加水压力时，AA两点应力：，水压力下，钻壁产生拉破裂的条件:gzminmax,hhmaxmin3hhA1maxmin3cthhpA取取“”AAmaxhminh第六章第六章 岩体中的天然应力岩体中的天然应力2022-12-2221维持破裂展
11、开，又不继续发展的条件：联立上两式有而：因此，可得测点的天然应力为21cctppshpmin2max3cshppminhspshpmin1max3ctshppshpmin2max3chppsgzv第六章第六章 岩体中的天然应力岩体中的天然应力2022-12-2222破裂平行于 ，垂直于 ，破裂方向由压痕，井下电视确定。maxhminh优点：测深大，z可达数百米，目前最深达5108米；施工技术简单，不需要应力计等仪器。方向方向：据岩体破裂方向确定：据岩体破裂方向确定第六章第六章 岩体中的天然应力岩体中的天然应力2022-12-2223千斤顶油泵时间千斤顶压力 pc测点分离值 d0 d步骤：在岩壁
12、上选测点，固定A、B两点，d15cm；刻槽 应力释放、变形 d0 d;安装扁千斤顶;加压 应力恢复 d d0，到d=d0时的千斤顶压力即为 ；R2 2、应力恢复法（扁千斤顶法、应力恢复法（扁千斤顶法）第六章第六章 岩体中的天然应力岩体中的天然应力2022-12-2224重复 测量另一个方向的 W;计算天然应力：假定天然应力为水平应力场,当测得侧壁应力R和底板应力W 时,则:RwhRwv83818183vRWh第六章第六章 岩体中的天然应力岩体中的天然应力2022-12-22土木工程专业基础课岩体力学253 3、钻孔套芯应力解除法、钻孔套芯应力解除法基本原理+vh1h2h仪器h套芯解除钻孔钻孔同
13、心套钻同心套钻放放应变计应变计应力解除应力解除应力计算应力计算位移恢复位移恢复第六章第六章 岩体中的天然应力岩体中的天然应力2022-12-2226设天然应力为水平应力场设天然应力为水平应力场cubuau113x45452cos(2)()3131maERu计算公式：计算公式：应变计互成45，得第六章第六章 岩体中的天然应力岩体中的天然应力2022-12-22272cos(2)(2sin)31(2)31(2cos)31(2)31(cos)180cos(,sin)90cos()90(2cos(2)()45(2cos(2)(2cos(2)()3131)3131)3131)3131mcmcmbmaER
14、uEmRubEmRuaERuERuERu第六章第六章 岩体中的天然应力岩体中的天然应力2022-12-2228用消元法解方程，得用消元法解方程，得：cacabcbbacacbbacauuuuutguuuuuuREuuuuuuRE22)()(214)()(214223221cubuau113x6060第六章第六章 岩体中的天然应力岩体中的天然应力2022-12-2229应变计互为应变计互为60时时，可按下列公式计算，可按下列公式计算）cbacbaccbbacbaaccbbacbauuuuutguuuuuuuuuREuuuuuuuuuRE(2(32)()()(216)()()(2162223222
15、1第六章第六章 岩体中的天然应力岩体中的天然应力2022-12-2230选点、钻孔：130cm，深度一般30m;在孔底打一测量孔：36cm，深度一般50cm，并洗干净；测量步骤：测量步骤：第六章第六章 岩体中的天然应力岩体中的天然应力2022-12-2231安装应变计：并与应变仪连接，测记稳定初始读数；套钻解除：在应力解除过程中，测记应变计读数，至应变完全解除折断岩心，在室内求取岩石的Em;按前述公式求解：天然应力hmax，hmin测量步骤：测量步骤：第六章第六章 岩体中的天然应力岩体中的天然应力2022-12-2232优点优点：能较准确地量测出岩体中的天然：能较准确地量测出岩体中的天然应力应力 缺点缺点：只能量测浅部（：只能量测浅部（30米以内天然米以内天然应力应力，深度大了，套钻技术难度大、，深度大了，套钻技术难度大、精度低。精度低。第六章第六章 岩体中的天然应力岩体中的天然应力
